動(dòng)態(tài)登山繩耐磨損性能研究*

壽謙益 張銀鋒 陳 俊 壽 翔

1. 紹興市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，浙江 紹興 312366；2. 紹興市悅巖體育發(fā)展有限公司，浙江 紹興 312000

登山繩主要用于登山、攀巖、探洞及救援等活動(dòng)中，起安全保護(hù)的作用。且隨著戶(hù)外運(yùn)動(dòng)的風(fēng)行，越來(lái)越多的普通人參與登山、攀巖等運(yùn)動(dòng)，登山繩的使用頻率顯著增加，因此其安全性顯得尤為重要。登山繩使用時(shí)易與環(huán)境中的巖石、樹(shù)木等形成較頻繁的摩擦，導(dǎo)致磨損。此外，延長(zhǎng)登山繩時(shí)需進(jìn)行綁繩結(jié)，這樣繩體自身也會(huì)形成摩擦，加之使用過(guò)程中受日曬等環(huán)境影響，這些都會(huì)對(duì)登山繩的牢度產(chǎn)生影響。

本文通過(guò)模擬登山繩的使用環(huán)境，對(duì)登山繩進(jìn)行耐磨損和耐候性測(cè)試，研究登山繩耐磨損性能的主要影響因素，以期為這類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、檢測(cè)和安全使用提供參考。

1 產(chǎn)品介紹

1.1 產(chǎn)品類(lèi)型

登山繩的應(yīng)用場(chǎng)景可分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種。動(dòng)態(tài)登山繩具有一定的彈性，能夠減緩沖擊力、吸收墜落能量[1]，已廣泛應(yīng)用于登山、攀巖等上升場(chǎng)合。靜態(tài)登山繩幾乎沒(méi)有彈性，不能吸收沖擊力，主要用于下降、探洞等場(chǎng)合。本文的研究對(duì)象為動(dòng)態(tài)登山繩。

動(dòng)態(tài)登山繩使用時(shí)，會(huì)利用繩結(jié)與鎖具、安全帶及繩等聯(lián)結(jié)，以固定或延長(zhǎng)繩體。繩結(jié)種類(lèi)繁多，其中以“8”字結(jié)最為普遍。國(guó)際攀巖聯(lián)合會(huì)(International Federation of Sport Climbing)于2018年4月發(fā)布的最新規(guī)則及之前各版本的規(guī)則都對(duì)個(gè)人裝備做出了明確規(guī)定：攀登繩應(yīng)該與參賽者的安全帶通過(guò)“8”字結(jié)聯(lián)結(jié)，或必須使用“8”字結(jié)與鐵鎖聯(lián)結(jié)，并打防脫結(jié)，以確保安全[2]。使用時(shí)，繩結(jié)摩擦主要發(fā)生在繩體與繩體之間。

1.2 纖維材料

動(dòng)態(tài)登山繩由繩芯和護(hù)套兩部分組成，原料主要為聚酰胺纖維。繩芯承受大部分的拉力和沖擊力，護(hù)套主要起保護(hù)繩芯的作用。護(hù)套磨損后繩芯暴露，則該登山繩無(wú)法繼續(xù)正常使用。因此，本文將以護(hù)套織物的耐磨損性能表征動(dòng)態(tài)登山繩的耐磨損性能。

1.3 表面形態(tài)

護(hù)套一般由幾種顏色的紗線按照平紋組織(圖1)或斜紋組織(圖2)織造而成。織物的組織結(jié)構(gòu)會(huì)影響繩體的柔韌性、耐磨性和繩芯穩(wěn)定性。

圖1 平紋組織護(hù)套

圖2 斜紋組織護(hù)套

2 試驗(yàn)部分

2.1 材料與儀器

護(hù)套織物1#試樣，聚酰胺纖維紗線，2/2平紋組織，織物經(jīng)、緯紗密度皆為9根/cm，經(jīng)、緯紗線密度皆為430 tex；護(hù)套織物2#試樣，聚酰胺纖維紗線，2/4斜紋組織，織物經(jīng)紗密度17根/cm，緯紗密度14根/cm，經(jīng)、緯紗線密度皆為290 tex。兩種試樣均取自動(dòng)態(tài)登山繩商用產(chǎn)品(浙江金華)。

P400防水砂紙(德國(guó))。

YG(B)401E型全自動(dòng)織物平磨儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)，Xe-2型日曬氣候色牢度儀(美國(guó)Q-LAB公司)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 耐磨損試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)登山繩主要用于登山和攀巖，因此登山繩的磨損主要來(lái)源于巖石。此外，動(dòng)態(tài)登山繩使用時(shí)往往需要結(jié)成繩結(jié)，因此自體磨損也很頻繁。基于此，本文設(shè)計(jì)了兩種試驗(yàn)類(lèi)型——模擬巖石磨損試驗(yàn)和模擬自體磨損試驗(yàn)。影響耐磨損性能的因素主要包括摩擦軌跡、磨料種類(lèi)和加載負(fù)荷等。

(1)摩擦軌跡測(cè)試。參照GB/T 21196.2—2007《紡織品 馬丁代爾法織物耐磨性的測(cè)定 第2部分:試樣破損的測(cè)定》，摩擦軌跡都選擇李莎茹(Lissajous)圖形。

(2)磨料種類(lèi)選取。模擬巖石磨損試驗(yàn)中，使用P400防水砂紙作為磨料以模擬粗糙的巖石表面；模擬自體磨損試驗(yàn)中，使用試樣本身作為磨料以模擬自體之間的磨損。

(3)加載負(fù)荷確定。模擬巖石磨損試驗(yàn)中，巖石磨損時(shí)的加載負(fù)荷取決于繩體自身重力、摩擦力，以及使用者對(duì)繩體的拉力等，且不同位置繩體所受的加載負(fù)荷不同(圖3)。試驗(yàn)將按照GB/T 21196.2—2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確定兩種加載負(fù)荷——9 kPa和12 kPa。模擬自體磨損試驗(yàn)中，由于自體磨損受力較小，故確定加載負(fù)荷為9 kPa。

圖3 模擬巖石磨損試驗(yàn)中繩體受力示意

進(jìn)行模擬巖石磨損試驗(yàn)時(shí)，先根據(jù)GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》[3]，將試樣置于溫度為(20.0±2.0)℃、相對(duì)濕度為(65.0±4.0)%的環(huán)境中調(diào)濕24 h。然后，將護(hù)套織物安裝在全自動(dòng)織物平磨儀的試樣夾具內(nèi)，使用P400防水砂紙作為磨料，分別在9 kPa和12 kPa的加載負(fù)荷條件下，按照李莎茹(Lissajous)圖形軌跡進(jìn)行連續(xù)摩擦。每摩擦1 000次即停下來(lái)檢查整個(gè)試樣摩擦面內(nèi)的破損跡象。當(dāng)試樣中至少有2根紗線斷裂時(shí)，即認(rèn)定試樣有破損。如果未出現(xiàn)破損，則繼續(xù)將試樣夾具放入全自動(dòng)織物平磨儀中，開(kāi)始下一周期的摩擦試驗(yàn)和評(píng)定，直至觀察到試樣有破損時(shí)即停止摩擦[4]。最后，根據(jù)致使試樣破損的總摩擦次數(shù)確定動(dòng)態(tài)登山繩的耐磨損性能。

進(jìn)行模擬自體磨損試驗(yàn)時(shí)，使用試樣本身作為磨料，在9 kPa的加載負(fù)荷條件下，展開(kāi)耐磨損試驗(yàn)，測(cè)試方法同模擬巖石磨損試驗(yàn)。

2.2.2 耐候性試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)登山繩主要在戶(hù)外使用，因此會(huì)長(zhǎng)期暴露于紫外線中。本文將在模擬日光照射護(hù)套織物試樣后再對(duì)試樣進(jìn)行耐磨損性能測(cè)試，以表征動(dòng)態(tài)登山繩的耐候性。

測(cè)試方法：參照GB/T 8427—2019《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐人造光色牢度：氙弧》，使用Xe-2型日曬氣候色牢度儀在波長(zhǎng)為420 nm、輻照度為(1.10±0.02)W/(m2·nm)的條件下[5]照射護(hù)套織物試樣20 h，累計(jì)能量約為85 kJ/(m2·nm)。照射后按照模擬巖石磨損試驗(yàn)的方法進(jìn)行耐磨損性能測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

本文將采用試樣破損時(shí)累積的摩擦次數(shù)表征耐磨損性能。摩擦次數(shù)越多，則試樣耐磨損性能越好。模擬巖石磨損試驗(yàn)、模擬自體磨損試驗(yàn)及模擬日光照射后磨損試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種磨損試驗(yàn)?zāi)Σ链螖?shù)測(cè)試結(jié)果 (次)

3.1 織物的組織結(jié)構(gòu)、密度對(duì)護(hù)套織物耐磨損性能的影響

在模擬巖石磨損試驗(yàn)中，兩種護(hù)套織物在9 kPa和12 kPa加載負(fù)荷的條件下不同摩擦次數(shù)時(shí)的磨損情況如圖4～圖7所示,可以看出，在摩擦的各階段，平紋組織的1#試樣較斜紋組織的2#試樣磨損嚴(yán)重。其中，在12 kPa加載負(fù)荷的條件下，當(dāng)摩擦次數(shù)為5 000時(shí)，1#試樣出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損，這若在實(shí)際使用中可能繩芯已露出，此時(shí)護(hù)套織物無(wú)法起到保護(hù)繩芯的作用。由此得出，斜紋組織的護(hù)套織物耐磨損性能優(yōu)于平紋組織的護(hù)套織物，這與織物的組織結(jié)構(gòu)、密度等因素會(huì)影響織物的緊密程度有關(guān)。織物結(jié)構(gòu)越松散，摩擦?xí)r纖維易從紗線或織物中抽出，導(dǎo)致織物變得更加松散，且脫散出的纖維經(jīng)反復(fù)擠壓、拉扯后會(huì)疲勞斷裂，變成纖維碎屑。故本文緊密程度高的斜紋織物耐磨性更好。

3.2 磨損條件對(duì)護(hù)套織物耐磨損性能的影響

在圖4～圖7的模擬巖石磨損試驗(yàn)中，加載負(fù)荷增大導(dǎo)致摩擦力增大，護(hù)套織物耐磨損性能明顯下降。

圖4 1#試樣在9 kPa加載負(fù)荷條件下不同摩擦次數(shù)時(shí)的磨損情況

圖5 2#試樣在9 kPa加載負(fù)荷條件下不同摩擦次數(shù)時(shí)的磨損情況

圖6 1#試樣在12 kPa加載負(fù)荷條件下不同摩擦次數(shù)時(shí)的磨損情況

圖7 2#試樣在12 kPa加載負(fù)荷條件下不同摩擦次數(shù)時(shí)的磨損情況

在模擬自體磨損試驗(yàn)結(jié)果(表1)中，兩種試樣耐摩擦次數(shù)皆大于10 000，可見(jiàn)繩結(jié)自體磨損影響明顯小于巖石磨損。

3.3 模擬日光照射對(duì)護(hù)套織物耐磨損性能的影響

模擬日光照射前后試樣的磨損試驗(yàn)狀況如圖8～圖11所示。在9 kPa加載負(fù)荷的條件下，經(jīng)模擬日光照射的1#試樣摩擦6 000次時(shí)出現(xiàn)磨損且受損程度大于相同摩擦次數(shù)的未經(jīng)模擬日光照射的1#試樣(圖8)，經(jīng)模擬日光照射的2#試樣摩擦8 000次時(shí)出現(xiàn)磨損且受損程度大于相同摩擦次數(shù)的未經(jīng)模擬日光照射的2#試樣(圖9)。在12 kPa加載負(fù)荷的條件下，1#試樣模擬日光照射后摩擦2 000次時(shí)出現(xiàn)磨損且受損程度大于相同摩擦次數(shù)的未經(jīng)模擬日光照射的1#試樣(圖10)，2#試樣模擬日光照射后摩擦5 000次時(shí)磨損程度較相同摩擦次數(shù)的未經(jīng)模擬日光照射的2#試樣嚴(yán)重(圖11)。可見(jiàn)，模擬日光照射后，兩種試樣耐磨損性能均有所下降，這與模擬日光照射影響了聚酰胺纖維及紗線的強(qiáng)度有關(guān)，且加載負(fù)荷越大，磨損速度越快。

圖8 1#試樣在9 kPa加載負(fù)荷條件下 模擬日光照射前后磨損試驗(yàn)狀況

圖9 2#試樣在9 kPa加載負(fù)荷條件下 模擬日光照射前后磨損試驗(yàn)狀況

圖10 1#試樣在12 kPa加載負(fù)荷條件下 模擬日光照射前后磨損試驗(yàn)狀況

圖11 2#試樣在12 kPa加載負(fù)荷條件下 模擬日光照射前后磨損試驗(yàn)狀況

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究動(dòng)態(tài)登山繩的使用環(huán)境和使用方式，設(shè)計(jì)并展開(kāi)了護(hù)套織物耐磨損試驗(yàn)，得出以摩擦次數(shù)為結(jié)果的動(dòng)態(tài)登山繩耐磨損性能和經(jīng)模擬日光照射后的耐候性能。結(jié)果表明，護(hù)套織物的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境是影響動(dòng)態(tài)登山繩耐磨損性能的主要因素。由于目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)態(tài)登山繩耐磨損性能進(jìn)行考核，因此動(dòng)態(tài)登山繩的使用存在風(fēng)險(xiǎn)。建議生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)將耐磨損性能作為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)控制護(hù)套織物的原材料、組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯紗密度等參數(shù)提高動(dòng)態(tài)登山繩的耐磨損性能，如緊密度高的斜紋組織織物的耐磨損性能更優(yōu)。同時(shí)，考慮到戶(hù)外的使用環(huán)境，建議在動(dòng)態(tài)登山繩產(chǎn)品的包裝上印刷“注意檢查繩體磨損”“避免長(zhǎng)期暴曬”等提示用語(yǔ)，提高風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)。